物理学院李强课题组在多玻色子物理研究领域取得重要进展

在粒子物理的标准模型中,光子、W玻色子、Z玻色子和胶子等四种自旋为1的规范玻色子是传递相互作用的基本粒子。其中,无质量的光子传递长程的电磁相互作用,而重质量的W和Z玻色子传递短程的弱相互作用;由于W玻色子带电,光子可以与其发生直接相互作用。

在对撞机上用于碰撞的粒子通常是电子或质子。直接研究玻色子的相互作用并非易事,多个玻色子反应的物理特征需要通过费米子湮灭或辐射玻色子等方法实现。W玻色子与光子的联合产生过程包括直接产生和散射产生,二者都是对撞机物理的基本过程(其示意费曼图如下图所示)。其中,W玻色子与光子的直接产生涉及WWγ三玻色子作用顶点,而W玻色子与光子的散射产生涉及WWγγ四规范玻色子顶点。对W与光子联合产生的多玻色子过程展开研究,对深入检验标准模型、探测杨-米尔斯非阿贝尔相互作用,以及揭示可能的新物理迹象具有重要意义。

W玻色子与光子直接产生的示意费曼图

W玻色子和散射产生的示意费曼图

北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室李强研究员课题组利用欧洲核子研究中心大型强子对撞机(large hadron collider, LHC)上紧凑缪子线圈(compact muon solenoid, CMS)探测器实验所收集的13 TeV质子-质子对撞数据,对W玻色子与光子的直接产生和散射产生进行精细探测,一方面,首次得到13 TeV对撞能量下W玻色子与光子直接产生过程的反应截面,测量精度达到4.5%,同时也对6维有效理论的相关耦合系数给出了世界最严格的限制;另一方面,在5倍标准偏差水平下,首次观测到W玻色子与光子的散射过程,对8维反常四规范玻色子耦合给出了世界最严格的限制。

2021年6月25日,相关研究成果以“Measurement of Wγ production cross section in proton-proton collisions at sqrt(s)=13TeV and constraints on effective field theory coefficients(在13 TeV质子-质子对撞中W玻色子与光子产生截面测量及对有效理论系数的限制)”为题,发表于Physical Review Letters(《物理评论快报》);按照高能物理学界的惯例,论文由CMS实验国际合作组全体成员依姓氏英文字母顺序共同署名。此前,合作组曾在2020年12月10日于Physics Letters B(《物理学快报B》)发表了题为“Observation of electroweak production of Wγ with two jets in proton-proton collisions at sqrt(s)= 13TeV(在13 TeV质子-质子对撞中观测到伴随两个喷注W玻色子与光子的电弱产生)”的研究成果。

李强课题组在该系列工作中发挥了主导作用。其中,李强担任分析协调人;北京大学物理学院2017级博士研究生肖杰和2015级博士研究生黄迁明分别就上述两项工作向合作组作了审核报告(Approval of SMP-19-002/008);北京大学博士后Andrew Levin 、2020届博士毕业生卢梦(现为中山大学博士后)和2017级博士研究生安莹也作出重要贡献。

上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等支持。

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